꼬인 빛 방출: 미래 전자 효율성 향상

전구는 일관된 조명을 제공하고 일반 대중이 쉽게 이용할 수 있도록 발명되었습니다. 비용 효율성을 높이기 위한 지속적인 연구와 실험을 통해 발광 다이오드, 즉 LED가 개발되었습니다.

LED 기술은 제너럴 일렉트릭에서 근무하던 과학자 닉 홀로냐크 주니어가 5년 넘게 전에 발명했으며, 이를 “마법의 하나”라고 불렀습니다.

LED는 시간이 지남에 따라 점점 밝아지고 비용 효율적이며 신뢰성이 높아져, 백열 전구를 대체하며 교통 신호등에 널리 채택되었습니다.

오늘날 전통적인 “노란색” 전구는 특정 용도에만 제한되는 반면, LED는 뛰어난 에너지 효율성, 긴 수명 및 다재다능함 덕분에 일반 조명 분야를 주도하고 있습니다.

물론 혁신은 멈추지 않습니다. 실제로 LED의 발명은 OLED—유기 발광 다이오드, 즉 유기 전기 발광 다이오드—의 길을 열었습니다.

이는 연구자들이 무기 재료 대신 유기 화합물을 사용하여 LED와 동일한 효과를 얻을 수 있는 가능성을 탐구한 결과이며, LED는 반도체 물질에 전기를 통과시켜 빛을 생성합니다.

첫 번째 OLED 장치는 1987년 이스트맨 코닥 회사의 과학자 스티븐 반 슬라이크와 청 탕에 의해 제작되었습니다.

LED와 OLED 모두 전기를 사용해 빛을 생성하지만, OLED는 유기 물질을 사용해 빛을 방출합니다. 이러한 유기 LED는 탄소 기반 물질을 사용하여 전통적인 LED보다 더 얇은 디스플레이, 향상된 색 재현 및 빠른 응답 시간을 제공합니다.

그 결과 OLED 기술은 스마트폰, TV 및 기타 고급 전자 기기에 적용되고 있습니다. 그러나 OLED 기술이 빠르게 발전하고 있음에도 불구하고 아직 널리 채택되지는 않았습니다.

OLED 기술 살펴보기

(GE.TO )

이제 OLED를 좀 더 자세히 살펴보겠습니다. 유기 발광 다이오드(OLED)는 LED와 달리 시트 형태로 제작되어 확산형 광원이며, 반면 LED는 집중된 작은 점 광원입니다.

OLED의 확산된 빛은 작업 표면에 매우 가깝게 사용할 수 있게 하며 눈부심을 유발하지 않습니다. 이는 적은 광량으로도 원하는 조도를 얻을 수 있어 효율성이 높다는 뜻입니다.

또한 OLED의 유연성 덕분에 거의 모든 형태로 제작이 가능해 디자인 가능성을 확대하고 새로운 조명 경험을 제공합니다.

OLED 구조는 고체 상태 장치로, 양극과 음극이라는 두 전도성 전극 사이에 얇은 탄소 기반 반도체 층이 여러 겹 쌓여 있습니다.

인접한 전극에 전류가 흐르면 장치가 빛을 방출합니다. 빛이 장치 밖으로 나오려면 최소 하나의 전극이 투명해야 합니다.

인 가되는 전류량을 제어함으로써 방출되는 빛의 강도를 조절할 수 있습니다.

빛의 색은 사용되는 발광 물질의 종류에 따라 결정됩니다. 예를 들어, 빨강, 초록, 파랑 발광체를 여러 방식으로 배열하면 백색광을 만들 수 있습니다.

다른 OLED 유형으로는 백색, 투명, 액티브 매트릭스, 패시브 매트릭스, 폴더블, 탑-에미팅 OLED가 있습니다.

오늘날 OLED는 스마트폰 디스플레이 기술의 주류를 차지하고 있습니다. OLED 디스플레이는 얇고 효율적일 뿐만 아니라 투명하고 유연하며 폴더블이며 최고의 이미지 품질을 제공하기 때문입니다. 넓은 시야각과 높은 명암비도 전통적인 디스플레이 기술에 비해 OLED 기술의 장점입니다.

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OLED 기술의 성장하는 채택

전 세계 OLED 시장은 지난 여러 해 동안 크게 성장했으며 앞으로도 계속 성장할 것입니다.

시장은 실제로 2022년부터 2029년까지 연평균 성장률 13.20%로 성장할 것으로 예상됩니다이며, 규모는 1,044억 달러에 이를 것으로 보입니다.

이 성장의 주요 동인은 소비자 전자 분야의 수요 증가입니다. 또한 웨어러블 기기 시장의 확대와 AR·VR 기기에 OLED 디스플레이가 통합되면서 새로운 성장 기회가 생기고 있습니다.

또한 유연하고 폴더블 OLED 디스플레이의 등장도 흥미로운 새로운 트렌드로, 컴팩트한 형태에 큰 화면의 편리함을 제공합니다. 이러한 디스플레이는 혁신적인 제품 디자인과 독특한 경험을 위한 응용을 가능하게 합니다.

OLED 디스플레이는 인포테인먼트 시스템, 대시보드, 후석 엔터테인먼트 시스템에서도 적용이 늘어나고 있습니다. 전기차 수요 증가와 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS) 통합이 자동차 분야에서의 성장에 기여할 것으로 예상됩니다.

디스플레이 외에도 OLED 기술은 조명 산업에서도 잠재력이 있으며, 뛰어난 색 재현, 균일한 조명 및 독특한 조명 디자인을 구현할 수 있습니다. 에너지 효율적인 조명 솔루션에 대한 관심이 높아지고 대형 OLED 패널이 개발됨에 따라 상업용, 건축용, 장식용 조명 분야에서 성장 기회가 열립니다.

OLED 시장 성장을 촉진하는 또 다른 요인은 지속적인 기술 혁신으로, 보다 효율적인 소재, 캡슐화 방법 및 제조 공정이 성능 향상, 비용 절감 및 수명 연장을 가능하게 합니다.

하지만 성능이 크게 향상되고 스마트폰 디스플레이에 널리 사용되고 있음에도 OLED는 여전히 많은 과제에 직면해 있습니다.

비용은 OLED 시장의 주요 과제 중 하나입니다. OLED 디스플레이는 고가의 유기 소재와 복잡한 제조 공정이 필요해 전통적인 LCD와 비교해 비용이 더 높습니다.

생산 과정에서 또 다른 문제는 수율이며, 작은 결함 하나가 다수의 불량 OLED 디스플레이를 초래할 수 있습니다. 또한 특정 유기 소재에 대한 의존도가 공급망 문제를 야기합니다.

OLED 디스플레이는 제한된 수명과 에너지 효율성 문제도 가지고 있습니다. 이는 휴대기기의 전력 소비를 최소화하고 배터리 수명을 향상시키는 데 중요합니다.

또 다른 제한 요인은 효율적인 청색 발광체를 안정화하지 못한다는 점입니다. OLED 기술은 여전히 시장을 장악하고 있는 LCD와, 상용 초기 단계이지만 더 긴 수명을 제공할 가능성이 있는 마이크로 LED와 같은 다른 디스플레이 기술과도 경쟁하고 있습니다.

또한 대형 디스플레이에서 발생할 수 있는 이미지 번인 및 균일성 문제와 같은 기술적 제한도 디스플레이 소재, 구조 및 제조 공정의 개선을 통해 극복해야 합니다.

연구자들은 이러한 제한을 적극적으로 해결하고 있으며, 최근의 한 혁신은 텔레비전 및 스마트폰 OLED 디스플레이 효율성을 크게 향상시킬 잠재력을 보여주었습니다.

키랄 반도체를 통한 OLED 효율성 향상

케임브리지 대학과 에인트호벤 공과대학 연구진은 전자를 나선형으로 이동시키는 방식으로 원형 편광 빛을 방출하는 유기 반도체를 개발했습니다.

이는 수십 년간 해결되지 않았던 유기 반도체 분야의 과제를 진전시켜 OLED 디스플레이 효율성을 높일 뿐만 아니라 스핀트로닉스와 양자 컴퓨팅과 같은 차세대 기술의 길을 열었습니다.

The research Science 저널에 발표된 연구는 기존 OLED에서 낮은 CPL을 달성하기 위해 반도체 재료에 키랄성을 도입하는 데 큰 관심이 있음을 언급했습니다.

현재 효율적인 OLED 시스템은 호스트 내에 공간적으로 격리된 발광 분자를 사용해 약한 CPL을 생성합니다.

높은 CPL을 달성하려는 시도가 있었지만 최적화된 OLED 장치 구조와 호환되지 않았습니다. 그러나 최신 연구진은 전자를 나선형으로 이동시키는 유기 반도체를 성공적으로 만들었습니다.

이는 트리아자트룩센 분자를 기반으로 한 키랄 초분자 나노구조를 이용해 얇고 균일한 필름을 만드는 새로운 방법 덕분이며, 이 방법은 OLED 제작에 완벽히 적합하고 높은 녹색 CPL을 나타냅니다.

“이것은 키랄 반도체를 만드는 데 있어 실질적인 돌파구입니다. 분자 구조를 신중히 설계함으로써 구조의 키랄성을 전자의 움직임에 결합했으며, 이는 이전에 이 수준에서 이루어진 적이 없습니다.”

– 에인트호벤 공과대학의 Bert Meijer 교수.

개발된 키랄 반도체는 원형 편광 빛을 방출하는데, 이는 빛이 전자의 ‘손잡이’ 정보를 담고 있음을 의미합니다.

대부분의 무기 반도체는 내부 구조가 대칭적이어서 전자가 특정 방향으로 움직이지 않습니다.

자연계에서 분자는 보통 좌우 손잡이 구조를 가지며, DNA와 같은 키랄 분자는 서로 거울상 관계에 있습니다. 키랄성은 생물학적 과정에서 핵심 역할을 하지만 전자공학에 적용하기는 어렵습니다.

따라서 키랄 반도체를 만들기 위해 연구진은 자연에서 영감을 얻어 반도체 분자 스택을 오른손 또는 왼손 나선형 컬럼으로 정렬시켰습니다.

이러한 키랄 반도체는 디스플레이 기술에서 큰 잠재력을 보여줍니다. 현재 제품은 화면에 빛을 필터링하는 방식 때문에 많은 에너지를 손실합니다. 새로 개발된 키랄 반도체는 자연스럽게 빛을 방출해 이러한 손실을 줄이고 화면을 더 밝고 에너지 효율적으로 만듭니다.

“제가 유기 반도체 연구를 시작했을 때 많은 사람들이 그 가능성을 의심했지만, 이제는 디스플레이 기술을 장악하고 있습니다. 딱딱한 무기 반도체와 달리 분자 재료는 놀라운 유연성을 제공해 키랄 LED와 같은 완전히 새로운 구조를 설계할 수 있게 합니다. 마치 직사각형 벽돌만 있는 것이 아니라 상상할 수 있는 모든 형태의 레고 세트를 가지고 노는 것과 같습니다.”

반도체의 기반 물질은 트리아자트룩센(TAT)으로, 6개의 분자 피치를 가진 나선형 스택을 스스로 형성합니다. 이는 전자가 구조를 따라 코일처럼 움직여 관측된 CPL을 얻도록 돕습니다.

UV 빛에 노출되면 자체 조립된 TAT는 “강한 원형 편광을 가진 밝은 녹색 빛을 방출합니다.” 공동 저자 Marco Preuss는 이러한 효과를 반도체에서 얻기 매우 어려웠다고 언급했습니다.

“TAT 구조는 전자가 효율적으로 이동하면서 빛 방출 방식을 영향을 줍니다.”

– Preuss

OLED 제작 방식을 변경함으로써 연구진은 TAT를 원형 편광 OLED(CP-OLED)에 성공적으로 적용했으며, 이는 놀라운 밝기, 효율성 및 편광 수준을 보여주었습니다.

연구에 따르면 OLED는 외부 양자 효율이 최대 16%에 달하고 전기발광 비대칭성이 10% 이하(또는 동등)임을 보였습니다. 공동 1저자 Rituparno Chowdhury는

“우리는 기본 OLED 제조 레시피를 근본적으로 재구성하여 스마트폰에 적용되는 방식처럼 키랄 구조를 안정적인 비결정성 매트릭스에 가두었습니다. 이는 원형 편광 LED를 실용적으로 만들 수 있는 방법을 제공합니다.”

디스플레이 외에도 이번 개발은 양자 컴퓨팅 및 스핀트로닉스에도 영향을 미칩니다. 여기서 전자의 고유 각운동량(스핀)을 이용해 정보를 저장·처리함으로써 더 빠르고 안전한 컴퓨팅 시스템을 구현합니다.

실제 적용 측면에서 이 돌파구는 향후 3~5년 내에 디스플레이 기술 상용화가 시작될 수 있으며, 스핀트로닉스와 양자 컴퓨팅 분야는 다음 10년 동안 발전할 것으로 보입니다.

혁신적인 기업

Universal Display Corporation

Universal Display Corporation (OLED ) (UDC)은 평판 디스플레이, 조명 및 유기 전자 분야에 사용되는 OLED 기술의 개발 및 상용화에서 선두주자이며, OLED 디스플레이와 조명을 위한 유기 소재 및 기술의 주요 공급업체이기도 합니다.

약 30년 전 설립된 UDC는 차세대 디스플레이를 창출하는 것을 목표로 합니다. 회사의 독점 기술과 소재는 전 세계 상업용 OLED 제품에 사용되고 있으며, 스마트폰, 스마트워치, 태블릿, TV 등 다양한 제품에 적용됩니다. 가장 눈에 띄는 사례는 LG의 OLED TV와 삼성의 갤럭시 시리즈입니다. UDC는 전 세계적으로 6,000건 이상의 발행 및 출원 중인 특허를 보유하고 있습니다.

이 회사는 높은 효율과 향상된 성능을 제공하는 인광 OLED(PHOLED) 소재의 연구·개발·상용화에 특화되어 있습니다.

시가총액 74억 2,500만 달러이며, 현재 주가는 156.41달러(연초 대비 6.98% 상승)입니다. EPS(TTM)는 4.65, P/E(TTM) 비율은 33.64이며, 배당 수익률은 1.15%입니다.

한 달 전, Universal Display Corporation은 2024년 4분기 매출이 1억 6,230만 달러로, 2023년 동기 1억 5,830만 달러에서 증가했다고 발표했습니다.

이 기간 동안 소재 판매 매출은 9,330만 달러로 증가했으며, 이는 회사의 방출체 소재에 대한 수요가 강화된 결과입니다. 로열티 및 라이선스 수수료는 6,440만 달러를 차지했지만, 누적 조정액 감소로 인해 매출이 감소했습니다.

4분기에는 소재 판매 비용이 3,420만 달러였으며, 총 총이익률은 77%였습니다. 영업이익은 5,250만 달러, 순이익은 4,600만 달러(희석 주당 0.96달러)였습니다.

연간 총 매출은 6억 4,770만 달러로 전년 대비 12.36% 증가했습니다. 이 중 소재 판매 매출은 3억 6,540만 달러(비용 1억 3,700만 달러)이며, 로열티 및 라이선스 수수료는 2억 6,680만 달러였습니다.

영업이익은 2억 3,880만 달러였으며, 순이익은 2억 2,210만 달러(희석 주당 4.65달러)로 2023년 2억 3,000만 달러(희석 주당 4.24달러)와 비교됩니다.

UDC는 캘리포니아 OVJP 시설 폐쇄 계획과 관련해 890만 달러의 구조조정 비용을 보고했습니다.

“견고한 재무 실적의 사상 최고 연도”에 대해 UDC의 부사장 겸 최고재무책임자 Brian Millard는 OLED 산업 전반에서 보이는 성장과 발전을 언급했습니다.

기업들은 제품 로드맵을 확대하고 있으며, 주요 패널 제조업체들은 특히 신흥 IT 및 자동차 시장의 수요 증가에 대응하기 위해 새로운 팹에 투자하고 있습니다. Millard는 덧붙였습니다:

“우리는 이번 새로운 CAPEX 사이클이 의미 있는 새로운 OLED 생산 능력, 새로운 OLED 제품 및 새로운 OLED 채택자를 위한 길을 열 것이라고 믿습니다.”

올해 UDC는 매출을 6억 4,000만 달러에서 7억 달러 사이로 예상하며, “OLED 산업은 여전히 다양한 변수가 결과에 중대한 영향을 미칠 수 있는 단계”라고 언급했습니다.

회사 또한 2025년 1분기 주당 0.45달러 현금 배당을 발표했으며, 이는 2025년 3월 31일에 지급됩니다.

“생태계의 선구자이자 리더로서, 우리는 에너지 효율이 높고 고성능인 인광 소재와 OLED 기술 포트폴리오를 확대함으로써 고객을 지속적으로 지원하고 산업을 활성화할 수 있는 좋은 위치에 있습니다.”

– CFO Millard

Universal Display Corporation 최신 소식

결론

발광 다이오드의 진화는 디스플레이와 조명 기술을 크게 향상시켰습니다. 이러한 발전 속에서 OLED 기술은 더 나은 이미지 품질, 얇고 가벼운 디자인, 유연성 및 혁신이라는 이점을 제공했습니다.

OLED 기술은 초기부터 크게 발전했지만 효율성과 비용 측면에서 여전히 과제에 직면해 있습니다. 따라서 최근의 키랄 반도체 혁신은 OLED 발전에 중요한 전환점이 됩니다.

전자의 움직임을 제어하고 고효율 원형 편광 빛을 방출하는 능력은 디스플레이 기술을 크게 변혁시킬 수 있으며, 양자 컴퓨팅 및 스핀트로닉스 분야에서도 새로운 가능성을 열어줄 것입니다.

이 혁신의 상용화가 임박함에 따라, 이 연구는 전자 기기의 작동 방식을 재정의하고 가까운 미래에 보다 에너지 효율적이고 고성능의 전자 기기를 이끌어낼 수 있습니다.